9.52mm內(nèi)螺紋銅管螺紋不均機(jī)理分析及防治措施

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

由于連續(xù)的螺紋增加了內(nèi)表面積，內(nèi)螺紋銅管熱交換效率遠(yuǎn)大于同規(guī)格光管，因此在空調(diào)行業(yè)被廣泛使用[1，2]。內(nèi)螺紋銅管作為一種高效的傳熱元件，與高效鋁翅片組合廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器與蒸發(fā)器，空調(diào)技術(shù)的發(fā)展對銅管的要求也越來越苛刻，尤其是換熱器中的銅管要求更高。

內(nèi)螺紋銅管齒形成形復(fù)雜，對銅管坯、生產(chǎn)設(shè)備、加工工藝以及模具設(shè)計(jì)制造要求較高[3]，在生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)螺紋不均缺陷，尤其是9.52mm內(nèi)螺紋銅管。分析螺紋不均產(chǎn)生機(jī)理并提出解決辦法，對提高9.52mm內(nèi)螺紋銅管成材率有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 螺紋不均及其危害

螺紋不均是9.52mm內(nèi)螺紋銅管常見的一種缺陷（如圖1），指表面螺紋節(jié)距不一致。

圖1 內(nèi)螺紋銅管螺紋不均缺陷

螺紋不均會影響底壁厚尺寸，螺紋節(jié)距寬底壁厚薄，削弱銅管強(qiáng)度。空調(diào)兩器制作過程中，U型銅管的彎制是非常關(guān)鍵的一步，彎制U型銅管時(shí)彎曲外側(cè)由于受切向拉應(yīng)力作用壁厚減薄[4]，螺紋節(jié)距寬的部位壁厚減薄量過大，大大降低了內(nèi)螺紋銅管耐壓，影響空調(diào)的使用壽命。9.52mm內(nèi)螺紋銅管由于徑厚比大，在U型銅管彎制過程容易出現(xiàn)外側(cè)開裂，導(dǎo)致空調(diào)客戶投訴。

2 內(nèi)螺紋銅管螺紋不均形成機(jī)理

成形內(nèi)螺紋銅管大多數(shù)廠家采用的是滾珠旋壓法，該方法技術(shù)先進(jìn)、工藝穩(wěn)定，包括三級變形：減徑拉拔、旋壓螺紋起槽和定徑空拉成形[5]。圖2內(nèi)螺紋銅管旋壓成形示意圖，銅管內(nèi)部塞入一個(gè)軸向可以自由旋轉(zhuǎn)且外表面帶有螺紋槽的芯頭，它通過連桿和可以繞銅管軸線自由旋轉(zhuǎn)的游動芯頭連接。拉拔過程中，游動芯頭起到對螺紋芯頭軸向定位作用，旋壓起槽后的銅管經(jīng)定徑空拉成要求規(guī)格的內(nèi)螺紋銅管。滾珠旋壓成形包括了旋壓、拉拔和擠壓過程，變形規(guī)律復(fù)雜，直接決定內(nèi)螺紋銅管成形質(zhì)量。

圖2 內(nèi)螺紋銅管旋壓成形示意圖

在旋壓過程中鋼球公轉(zhuǎn)一周，在銅管表面前進(jìn)一個(gè)節(jié)距，從而在表面旋壓出連續(xù)的螺紋，如果鋼球本身有缺陷或旋壓過程有異常就會出現(xiàn)螺紋節(jié)距不均的問題。形成內(nèi)螺紋螺紋不均有以下幾種原因：①旋壓環(huán)設(shè)計(jì)不合理，內(nèi)弧尺寸小，旋壓時(shí)鋼球轉(zhuǎn)動不靈活。②旋壓鋼球磨損嚴(yán)重，9.52mm內(nèi)螺紋銅管采用11.1125mm/6球旋壓成形，相對于其他規(guī)格內(nèi)螺紋銅管旋壓鋼球外徑更大、鋼球數(shù)量更多，由鋼球旋壓力公式可知，在旋壓成形過程9.52mm內(nèi)螺紋銅管鋼球慣性大、旋壓分力大，鋼球更容易磨損。

徑向滾壓分力：

軸向滾壓分力：

式中K為減薄函數(shù)、t0為管坯壁厚、f為進(jìn)給率，σm材料平均應(yīng)力、Dp為鋼球直徑、α為滾壓角。

③高速電機(jī)動平衡差，高速電機(jī)和旋壓頭座連接，而后傳動旋壓環(huán)高速旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)一般高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速為20000～35000r/min，高速電機(jī)動平衡差旋壓過程鋼球不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的公轉(zhuǎn)。

3 螺紋不均的防治措施

通過分析螺紋不均形成的機(jī)理，采取措施可以防止螺紋不均的產(chǎn)生，主要有以下幾方面的防治措施：①優(yōu)化旋壓環(huán)尺寸；②保證鋼球表面質(zhì)量；③管控高速電機(jī)動平衡。

3.1 優(yōu)化旋壓環(huán)尺寸

內(nèi)螺紋成形采用的鋼球數(shù)量N一般為4、5或6，稱為4球工藝、5球工藝或6球工藝。9.52mm內(nèi)螺紋采用六球滾壓工藝成形，鋼球在旋壓環(huán)中排滿，形成一個(gè)包絡(luò)圓（見圖3）。

=11.1125×(1+0.5)/0.5

=33.34 mm

D3：鋼球直徑采用外徑11.1125 mm；

α：鋼球等分圓周的半角（α=30°）。

為了使鋼球在旋壓環(huán)內(nèi)旋轉(zhuǎn)靈活，D4的實(shí)際值一般比理論值大0.02mm，則旋壓環(huán)內(nèi)徑值為33.36mm，現(xiàn)場使用的旋壓環(huán)內(nèi)徑為33.30mm，旋壓環(huán)內(nèi)徑偏小導(dǎo)致滾壓時(shí)鋼球轉(zhuǎn)動不靈活，滾壓銅管表面紋路不均勻。

圖3 鋼球在旋壓環(huán)中的分布

成型機(jī)試驗(yàn)用一筐管坯旋壓成形，分別選取內(nèi)弧尺寸33.36mm、33.30mm旋壓環(huán)生產(chǎn)，旋壓9.52mm內(nèi)螺紋銅管分別截取20cm樣品，用顯微鏡檢測旋壓表面紋路。檢測表面紋路間距如圖4，結(jié)果表明旋壓環(huán)內(nèi)弧尺寸33.36 mm較33.36 mm生產(chǎn)9.52mm內(nèi)螺紋銅管紋路間距波動明顯降低，表明改進(jìn)后內(nèi)螺紋銅管紋路均勻性得到了明顯提高。

3.2 保證鋼球表面質(zhì)量

在內(nèi)螺紋銅管旋壓成形過程中鋼球運(yùn)動比較復(fù)雜，主要運(yùn)動特征為三類：一類是以銅管中心線為軸線，在旋壓環(huán)帶動下的公轉(zhuǎn)；二類是以通過鋼球中心點(diǎn)且與拉伸方向平行的直線為軸線的自轉(zhuǎn)；三類是在銅管拉拔過程中，由于摩擦作用而使鋼球進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在旋壓過程中，由于鋼球與鋼球之間存在細(xì)小間隙，所以鋼球與鋼球之間會發(fā)生相互沖擊碰撞和摩擦。

圖4 內(nèi)螺紋銅管表面紋路檢測結(jié)果

分別選擇原始鋼球（即未磨損）、旋壓銅管6000m和12000m的三種鋼球來分析鋼球的磨損過程。由圖5可知，原始鋼球的表面較平整，未見明顯磨痕，但在鋼球表面少量可見少量細(xì)小的細(xì)孔。旋壓成形6000米時(shí)鋼球細(xì)小磨痕長度沒發(fā)生明顯變化，但是深度和寬度都增加，磨痕發(fā)生重疊，使得磨痕的加寬變深。旋壓成形12000米時(shí)鋼球的表面產(chǎn)生了較明顯的損傷。

圖5 旋壓成形鋼球表面形貌

綜上，考慮到鋼球較廉價(jià)，而且及時(shí)更換鋼球能避免鋼球由于摩擦系數(shù)增大而造成其機(jī)械碰撞、脫落對內(nèi)螺紋管外表面帶來的損傷。

因此，每生產(chǎn)一筐產(chǎn)品應(yīng)更換新的鋼球，以確保內(nèi)螺紋銅管表面紋路均勻。

3.3 管控高速電機(jī)動平衡

高速電機(jī)旋轉(zhuǎn)動平衡主要是由振動引起，除了安裝、調(diào)試不良引起的機(jī)械振動之外，轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡產(chǎn)生離心力而引起的機(jī)械振動是影響旋轉(zhuǎn)電機(jī)正常工作的最大因素，離心力作用會產(chǎn)生額外噪聲以及軸承摩擦。

成型高速電機(jī)動平衡管控措施：①旋轉(zhuǎn)套、連接套使用螺栓長短、松緊一致，保持高速電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下動平衡一致；②保持小車、旋轉(zhuǎn)套、預(yù)定徑的同一水平度；合理裝配鋼球、旋壓環(huán)、回轉(zhuǎn)套，每筐清潔回轉(zhuǎn)套、連接套表面銅泥；生產(chǎn)前確認(rèn)工藝潤滑油的潤滑、冷卻效果。

4 結(jié)論

（1）9.52mm內(nèi)螺紋銅管易出現(xiàn)螺紋不均，因徑厚比大在U型銅管彎制過程導(dǎo)致外側(cè)開裂，影響空調(diào)使用壽命，銅管生產(chǎn)企業(yè)必須重點(diǎn)管控。螺紋不均形成原因?yàn)樾龎涵h(huán)內(nèi)弧尺寸小、旋壓鋼球磨損嚴(yán)重、高速電機(jī)動平衡差。

（2）通過采取優(yōu)化旋壓環(huán)內(nèi)弧尺寸、保證旋壓鋼球表面質(zhì)量、管控高速電機(jī)動平衡措施，有效改善了內(nèi)螺紋銅管表面紋路不均缺陷。